TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Nguyễn Thị Phương NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÝ KHÍ KHỐI PHỔ GC-MS XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG DIOXIN TRO
TỔNG QUAN
Chất hữu cơ ô nhiễm khó phân hủy dioxin/furan
Dioxin là tên gọi chung của nhóm hợp chất hóa học tồn tại bền vững trong môi trường và trong cơ thể người cũng như sinh vật khác Các hợp chất này gồm có 75 đồng loại độc PCDD (polychlorodibenzo-p-dioxin) và 135 đồng loại độc PCDF (polychlorodibenzofuran), có mức độ độc tính khác nhau tùy thuộc vào số nguyên tử Cl và vị trí của chúng trong cấu trúc phân tử.
Dioxin (PCDDs) và furan (PCDFs) là các hợp chất độc hại nhất hiện nay, có cấu trúc phân tử chung như đã trình bày trong hình 1.1 [23] Chúng được tạo ra không chủ đích trong quá trình đốt cháy không hoàn toàn các nhiên liệu, sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, cũng như trong hoạt động tái chế kim loại, nghiền và tẩy trắng giấy Ngoài ra, dioxin còn xuất hiện trong khí thải từ động cơ, khói thuốc lá và khói than Trong họ các hợp chất dioxin/furan, 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin (2,3,7,8-TCDD) là loại độc nhất Ở điều kiện thường, 2,3,7,8-TCDD tồn tại dưới dạng rắn, cực kỳ bền vững trong môi trường và ít bị phân huỷ do tác động của nhiệt độ, độ ẩm, tia cực tím hay các hoá chất.
2,3,7,8-TCDD hầu như không tan trong nước (0.2g/l) và tan trong một số dung môi hữu cơ (MeOH 10mg/l; Metanol 48mg/l; Axeton 118; Benzen 500mg/l)
LD 50 (Liều lƣợng gây chết) : 70(mg/kg)
Hình 1.1: Công thức cấu tạo của các chất thuộc nhóm dioxin/furan
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22
Nhiệt nóng chảy của dioxin là 305°C, nhiệt độ sôi tại áp suất 760 mmHg là 421°C, và nhiệt độ phân hủy dao động từ 800°C đến 1000°C Chu kỳ bán phân hủy của dioxin thường kéo dài từ 3 đến 5 năm, nhưng có thể lên tới 12 năm, cho thấy độ bền vững của hợp chất này Tuy nhiên, chu kỳ bán hủy của dioxin trong thực tế còn gây nhiều tranh cãi do nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy tự nhiên của nó.
Theo D Pautenbach và R Puri, chu kỳ bán hủy của dioxin trên lớp đất bề mặt dao động từ 9-25 năm, trong khi ở các lớp đất sâu hơn là 25-100 năm, và theo Hội nghị quốc tế tại TP.HCM, thời gian bán hủy kéo dài từ 5-7 năm Tại Việt Nam, lượng lớn dioxin đã bị phóng xuống trong chiến tranh bởi không lực Hoa Kỳ trong chiến dịch Ranch-Hand (1961-1972), gây ra các hậu quả nghiêm trọng đối với sức khỏe con người và môi trường suốt nhiều thập kỷ và dự kiến còn ảnh hưởng lâu dài trong thế kỷ XXI.
1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm dioxin/furan ở Việt Nam và tác hại của chúng đến môi trường sinh thái, con người
Năm 1997, Tổ chức Quốc tế Nghiên cứu Ung thư (IARC) thuộc WHO đã công bố 2,3,7,8-TCDD là chất gây ung thư nhóm 1 Thêm vào đó, vào tháng 1 năm 2001, Hội nghị Độc học Quốc gia Hoa Kỳ đã xếp dioxin vào nhóm các chất gây ung thư, khẳng định mức độ nguy hiểm và ảnh hưởng nghiêm trọng của chất này đối với sức khỏe con người.
Trong nghiên cứu kiểm định năm 2003, các nhà khoa học khẳng định không có mức liều lượng an toàn hay ngưỡng dioxin nào, dưới đó không gây ung thư Điều này có nghĩa là dù phơi nhiễm dioxin với lượng rất nhỏ, con người vẫn đối diện với nguy cơ ung thư.
Ngoài ung thư, dioxin còn liên quan đến nhiều bệnh nguy hiểm khác như bệnh rám da, tiểu đường, ung thư trực tràng không Hodgkin và thiểu năng sinh dục ở cả nam và nữ Dioxin cũng có thể gây ra các vấn đề về sinh sản như sinh con quái thai, thiểu năng trí tuệ và hiện tượng đẻ trứng ở nữ giới, gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe và khả năng sinh sản của con người.
Dioxin ảnh hưởng đến các tế bào và cơ thể người, động vật thông qua cơ chế phân tử vẫn đang được nghiên cứu sâu Thường thì, dioxin gây độc tế bào bằng cách liên kết với thụ thể chuyên biệt cho các hydrocacbon thơm, gọi là AhR (Arylhydrocarbon Receptor) Sau khi phức hợp dioxin- AhR hình thành, nó kết hợp với protein vận chuyển ArnT (AhR nuclear Translocator) để xâm nhập vào nhân tế bào, nơi dioxin ảnh hưởng đến việc mở hoặc đóng các gene giải độc như Cyp1A, Cyp1B Ngoài ra, các nghiên cứu trên chuột cho thấy, dioxin còn làm tăng nồng độ các gốc tự do, dẫn đến tổn hại cấu trúc tế bào, phá huỷ các protein quan trọng và gây đột biến trên phân tử ADN.
Trong đánh giá về rủi ro và các vấn đề chính sách liên quan đến dioxin, Hội nghị Quốc tế tổ chức tại Berlin năm 2004 đã nhấn mạnh rằng không có mức phơi nhiễm dioxin tối thiểu nào được xác định là an toàn Theo các nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc Cục Môi trường Liên bang Đức (Federal Environmental Agency), việc xác định mức phơi nhiễm an toàn cho dioxin là rất khó khăn, và không có mức giới hạn rõ ràng để đảm bảo an toàn tuyệt đối Tuyên bố của WHO cũng khẳng định rằng, do tính chất độc hại của dioxin, người dân không nên nhìn nhận bất kỳ mức phơi nhiễm nào là hoàn toàn an toàn, nhất là trong bối cảnh tiếp xúc kéo dài hoặc ở nồng độ cao Các kết quả này đòi hỏi các nhà hoạch định chính sách cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa nghiêm ngặt nhằm giảm thiểu tối đa rủi ro phơi nhiễm dioxin trong cộng đồng.
2002 thì mức phơi nhiễm dioxin cho phép qua thức ăn của mỗi người là 1-10 pg đương lượng độc (TEQ)/ngày [5]
Dioxin là một trong những hóa chất độc nhất hiện nay theo nghiên cứu về tiêu chuẩn liều lượng [2] Các nghiên cứu cho thấy dioxin có độc tính cao và gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng đối với sức khỏe con người cũng như môi trường Do đó, việc kiểm soát và giảm thiểu tiếp xúc với dioxin trở nên vô cùng cần thiết trong công tác bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22 nhấn mạnh rằng dioxin là một tác nhân nguy hiểm đe dọa sức khỏe cộng đồng Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã chính thức công nhận dioxin là một chất gây ung thư cho con người, đặt ra mối nguy lớn đối với sức khỏe cộng đồng và yêu cầu các biện pháp kiểm soát chặt chẽ.
Viện Hàn lâm khoa học Mỹ đã chấp nhận có ít nhất 13 bệnh liên quan đến dioxin
Tổ chức Y tế thế giới (WHO) quy định liều cho phép của dioxin là:
- 1 - 4 pg cho 1 kg trọng lƣợng cơ thể trong một ngày đêm (phần nghìn tỷ gram)
- Một người có trọng lượng là 50 kg thì liều cho phép trong một ngày đêm tối đa là 50-200 pg
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
1.2 Các phương pháp phân tích các hợp chất dioxin/furan
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Các nước trên thế giới đặc biệt quan tâm đến lĩnh vực phân tích dioxin, với Cộng hòa Liên bang Đức đi đầu nhờ các phòng thí nghiệm hiện đại như Viện Môi trường Bayrouth, Viện Vệ sinh An toàn thành phố Freiburg và các cơ quan bảo vệ môi trường Berlin đã nghiên cứu và xây dựng quy trình phân tích dioxin bằng thiết bị sắc ký khí và sắc ký khí khối phổ Các quy trình phân tích dioxin trên máy sắc ký khí khối phổ có độ phân giải cao và thấp hiện nay được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu, đảm bảo độ chính xác và độ nhạy trong xác định hàm lượng dioxin trong các mẫu thử.
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22
- Method 23: phân tích dioxin trong khí thải
- TO-9: phân tích, quan trắc dioxin trong không khí xung quanh
Sắc ký khí khối phổ và kỹ thuật ion
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22
Khí hóa mẫu Ion hóa Tách, lọc ion
Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC-MS hay GCMS) là phương pháp phân tích hiệu quả, có độ nhạy cao, được sử dụng để nghiên cứu thành phần các chất hữu cơ bay hơi và bán bay hơi Đây là sự kết hợp giữa sắc ký khí (Gas Chromatography) và khối phổ (Mass Spectrometry), trong đó khối phổ hoạt động như một detector “vạn năng” với khả năng định danh chính xác hơn các hợp chất nhờ phân tích các mảnh phổ đặc trưng Nguyên lý hoạt động của detector khối phổ giúp xác định chính xác thành phần của mẫu phân tích, khác biệt rõ rệt so với các detector thông thường như ion hóa ngọn lửa (FID), chỉ dựa trên thời gian lưu.
Phương pháp phổ khối lượng dựa trên quá trình bắn phá các hợp chất hữu cơ dưới dạng khí để trung hòa điện tích, tạo ra các ion phân tử mang điện tích dương hoặc âm, cùng các mảnh ion và gốc chứa năng lượng cao Quá trình phân mảnh này phụ thuộc vào cấu tạo của chất, phương pháp ion hóa và năng lượng bắn phá, giúp xác định thành phần phân tử và cấu trúc của hợp chất hữu cơ một cách chính xác.
Máy quét khối phổ sử dụng nhiều phương pháp ion hóa và tách khối khác nhau, mỗi phương pháp mang lại ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng phân tích Các kỹ thuật ion hóa phổ biến bao gồm ion hóa hóa học, ion dương (PCI), ion âm (NCI), ion hóa va chạm điện tử (EI), ion hóa bằng trường điện từ và phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh (FAB), giúp tối ưu hóa quá trình phân tích hợp lý và chính xác hơn.
Hình 1.2 : Sơ đồ nguyên lý của thiết bị Sắc ký khí khối phổ
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương thuộc Khối bằng bẫy ion (ion trap) tập trung nghiên cứu các phương pháp phân tích mẫu bằng công nghệ bẫy ion, mang lại độ chính xác cao trong xác định thành phần hóa học Đề tài cũng đề cập đến kỹ thuật tách khối bằng từ trường dẻ quạt (sector magnetic), giúp nâng cao hiệu quả tách mẫu trong phân tích quang phổ Ngoài ra, luận văn còn nghiên cứu phương pháp tách khối bằng thời gian bay (time of flight), cung cấp tốc độ phân tích nhanh và độ phân giải cao Các phương pháp này đều ứng dụng trong lĩnh vực phân tích hóa học và phân tích mẫu công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả công tác nghiên cứu và phân tích.
Dựa vào các kỹ thuật tách khối có thể chia detector khối phổ thành 2 loại: phân giải cao và phân giải thấp
Các kỹ thuật ion hóa và lọc khối có thể được kết hợp để chế tạo các thiết bị đặc trưng, phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực hóa học và sinh học Việc tích hợp these kỹ thuật giúp nâng cao hiệu quả xử lý và phân tích mẫu, phục vụ cho nghiên cứu và sản xuất trong các ngành khoa học đời sống.
Hệ thống kết hợp giữa ion hóa va chạm điện tử và bộ tách khối bằng thanh tứ cực được ứng dụng phổ biến do thiết bị đơn giản, dễ vận hành và cho phổ thu tương đối ổn định Nhờ đó, hệ thống đạt độ nhạy cao, có thể phát hiện đến mức picro gam Các nhà khoa học đã xây dựng thư viện phổ tiêu chuẩn rộng, giúp định danh chất mà không cần dùng chất chuẩn, như thư viện NIST hay Willey, với số lượng đơn chất lên tới hàng trăm nghìn.
1.3.2 Các kỹ thuật ion hóa phổ biến 1.3.2.1 Ion hóa hóa học Đây là phương pháp cho dòng phân tử khí trung gian va chạm với dòng ion dương hoặc âm để biến khí trung gian này thành các ion phân tử hay ion mảnh, chính các ion này lại đƣợc sử dụng nhƣ nguồn ion để ion hóa mẫu phân tích ở dạng khí Các khí ion hóa trung gian thường được sử dụng là: NH3, H 2 , CH 4 , C 4 H 10 …
Phương pháp ion hóa hóa học thường có năng lượng thấp hơn, khiến sản phẩm ion hóa của khí phân tích chủ yếu chứa ion phân tử Chính vì vậy, phương pháp này thường được sử dụng để xác định khối lượng phân tử của mẫu khí cần phân tích, giúp tăng độ chính xác trong quá trình đo lường và phân tích khí.
1.3.2.2 Ion hóa va chạm electron Đây là phương pháp phổ biến, được áp dụng rộng rãi, sinh ra phổ tương đối ổn định ở mỗi năng lƣợng ion hóa Dòng khí phân tích trong buồng ion hóa bị các electron sinh ra từ sợi đốt chuyển động vuông góc với dòng chuyển động của phân tử khí, phá vỡ cấu trúc của phân tử khí phân tích thành các mảnh ion Các mảnh ion này được chọn lọc theo điện tích (âm hoặc dương) rồi được gia tốc bằng điện trường trước khi vào bộ lọc
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22
Các phân tử khí đi vào nguồn ion hóa nhờ va chạm với electron có năng lượng động học khoảng 70 eV Năng lượng này đủ lớn để ion hóa các phân tử khí theo phản ứng (M + e → M⁺ + 2e⁻), tạo ra các ion dương và nhiều electron tự do Ngoài ra, quá trình này còn phá vỡ các phân tử thành các mảnh vỡ nhỏ hơn, góp phần thúc đẩy quá trình ion hóa trong nguồn khí.
Trong hệ thống phân tích, một thế hiệu nhỏ ở đĩa đẩy (repeller plate) tạo ra lực đẩy các ion hướng về ống phân tích Đồng thời, các đĩa hội tụ ion (ion focus plates) tạo ra trường điện giúp gia tốc các ion mang vận tốc cao, đẩy chúng khỏi phần đáy của bộ phận này và hướng vào ống phân tích Ống phân tích (Analyser tube) được duy trì ở áp suất chân không cao khoảng 10⁻⁵ Pa nhằm giảm thiểu tác động của các va chạm với khí pha động, giúp các ion di chuyển chính xác qua ống mà không bị lệch hướng.
Các cation di chuyển qua ống phân tích chịu tác động của từ trường đặt vuông góc với hướng di chuyển của chúng, giúp kiểm soát hướng đi của các ion trong quá trình phân tích Từ trường này sẽ hướng các cation về detector đặt ở cuối ống phân tích, đảm bảo chính xác và hiệu quả trong quá trình phân tích ion Việc sử dụng từ trường mạnh và định hướng chính xác đóng vai trò quan trọng trong tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống phân tích.
Khe trong detector chỉ cho phép các ion có khối lượng nằm trong khoảng xác định tiếp cận detector Các phân tử có khối lượng không phù hợp sẽ va phải thành ống hoặc bị loại bỏ qua khe thoát ion, do đó chúng không thể đến được detector.
Trong bộ phận thu ion (ion collector), mỗi cation khi đến sẽ bị trung hòa bởi một electron, đảm bảo quá trình trung hòa diễn ra hiệu quả Dòng điện cần thiết để trung hòa chùm ion tỷ lệ thuận với số lượng ion đến bộ phận thu, giúp duy trì hiệu suất hoạt động của hệ thống Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình thu ion và đảm bảo chính xác trong các ứng dụng phân tích điện hóa.
Phổ khối là một đồ thị cho thấy dòng điện nhƣ là một hàm của số khối đƣợc chọn bởi từ trường
Phương pháp ion hóa bằng tương tác electron (electron impact ionization) thường tạo ra phổ khối có nhiều mảnh vỡ, phản ánh quá trình phân rã của mẫu Trong quá trình này, ion phân tử có thể có hàm lượng thấp hoặc thậm chí bị mất hoàn toàn, đặc biệt khi phân tử bị phân hủy dưới tác dụng của electron Đây là một kỹ thuật quan trọng trong phân tích hóa học nhằm xác định thành phần cấu tạo của mẫu vật một cách chính xác và hiệu quả.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
Thiết bị, vật tƣ, hóa chất
Chúng tôi sử dụng dãy chất chuẩn gồm 17 đồng loại độc thuộc nhóm dioxin/furan để nghiên cứu và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của phương pháp phân tích Việc này nhằm tối ưu hóa quá trình phân tích, nâng cao độ chính xác và độ nhạy trong việc xác định các hợp chất này Phân tích dựa trên dãy chất chuẩn giúp đánh giá rõ ràng các yếu tố ảnh hưởng như điều kiện thử nghiệm và thiết lập phương pháp phù hợp Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần cải thiện phương pháp phân tích, đảm bảo độ tin cậy trong các ứng dụng thực tiễn liên quan đến đánh giá ô nhiễm dioxin/furan.
Bảng 2.1: Danh sách 17chất đồng loại độc thuộc nhóm dioxin/furan và nồng độ ban đầu
TT Tên chất thuộc nhóm dioxin/furan Nồng độ ban đầu (pg/l)
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22
Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số hóa chất và vật tư khác để chuẩn bị mẫu phân tích các hợp chất dioxin/furan, theo phương pháp EPA 8280b Các bước chuẩn bị mẫu này đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao trong quá trình phân tích Việc lựa chọn hóa chất phù hợp là yếu tố quan trọng giúp nâng cao hiệu quả và độ nhạy của phương pháp phân tích.
- Iso octan (CH 3 ) 3 CCH 2 CH(CH 3 ) 2
Na2SO4 (tinh thể, khan) cần được làm sạch bằng cách nung ở 400°C trong 4 giờ hoặc chiết với Dichlorometan Nếu sau quá trình nung, Na2SO4 chuyển sang màu xám do sự có mặt của cacbon trong tinh thể nền, thì mẻ Na2SO4 đó không sử dụng được.
- KOH: chuẩn bị dung dịch 5% trong nước không có chất hữu cơ
- Sulfuric axit, đặc: khối lƣợng riêng 1,84kg/l
2.1.2 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
Nghiên cứu này sử dụng hệ thiết bị phân tích gồm hai phần chính: thiết bị sắc ký và detector khối phổ, được liên kết để tạo thành hệ thống phân tích hoàn chỉnh Thiết bị sắc ký có chức năng phân tách các chất riêng biệt từ hỗn hợp mẫu ban đầu, sau đó chuyển các chất này vào detector khối phổ để xác định thành phần.
Hệ thống thiết bị sử dụng là máy sắc kí khí phân giải cao/khối phổ phân giải thấp: Agilent GC 6890/MSD 5975 gồm hai bộ phận chính:
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22
Sắc ký khí: Agilent GC 6890, cột DB-5MS, dài 30m, đường kính trong 0,25m, bề dày film 0,25m
Máy detector khối phổ Agilent MSD 5975 sử dụng nguồn ion EI và CI, kết hợp bộ tách khối bằng thanh tứ cực để phân tích hợp chất Đặc biệt, detector khối lượng EMS có dải điện áp hoạt động từ 700V đến 3000V, cho phép thực hiện chế độ quét toàn dải (SCAN), giám sát ion đơn (SIM) hoặc kết hợp cả hai chế độ để nâng cao độ chính xác trong phân tích Thư viện phổ NIST 05 của thiết bị chứa hơn 163.198 phổ chuẩn EI/MS, hỗ trợ phân tích dữ liệu hiệu quả Ngoài ra, máy còn được trang bị bơm mẫu tự động với thể tích bơm linh hoạt từ 0,2μl đến 10μl, cùng khay chứa mẫu tối đa lên đến 100 mẫu phù hợp cho các dự án phân tích mẫu số lượng lớn.
Ngoài thiết bị chính trên, một số thiết bị phụ trợ khác đƣợc sử dụng gồm:
- Máy cất quay chân không
- Các loại dụng cụ thủy tinh, micro pipet…
Phương pháp nghiên cứu
Các hợp chất trong nhóm dioxin/furan có cấu trúc và số lượng khác nhau, dẫn đến khả năng phân tách khi phân tích bằng sắc ký cũng khác nhau Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, chúng tôi đã khảo sát các điều kiện phân tích phù hợp cho nhóm chất này để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả Các điều kiện phân tích sắc ký được thiết lập dựa trên phương pháp US-EPA 8280b, nhằm tối ưu quá trình phân tích các hợp chất dioxin/furan.
2.2.2 Thiết lập điều kiện làm việc của detector khối phổ 2.2.2.1 Phương pháp chuẩn hóa detector khối phổ với nguồn ion hóa va chạm điện tử (EI)
Tối ưu hóa detector khối phổ sử dụng nguồn ion hóa va chạm điện tử được thực hiện bằng cách sử dụng ba ion với các số khối khác nhau là 69amu, 219amu và 502amu Các ion này được cung cấp từ chất Perfluorotributylamine đi kèm thiết bị, nhằm nâng cao độ chính xác của quá trình phân tích Quá trình tối ưu hóa gồm ba bước chính, bắt đầu từ hiệu chỉnh số khối với độ sai lệch tiêu chuẩn để đảm bảo kết quả phân tích chính xác và tin cậy.
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22 tập trung vào hiệu chỉnh các tham số quan trọng trong phân tích, bao gồm điều chỉnh giá trị ±0,2amu để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu Đồng thời, giá trị độ rộng nửa chân pic được điều chỉnh về khoảng 0,6 ± 0,1 để tối ưu hóa kết quả đo lường Thao tác chỉnh điện thế cấp cho detector khối lượng nhằm đưa giá trị chiều cao tín hiệu đạt cực đại trên chiều cao nhiễu, nâng cao độ nhạy của thiết bị Quá trình hiệu chỉnh này có thể thực hiện thủ công hoặc tự động hoàn toàn, và các tham số đã hiệu chỉnh được lưu lại để sử dụng xuyên suốt quá trình phân tích, đảm bảo tính nhất quán và độ chính xác của kết quả nghiên cứu.
Trong luận văn này, tác giả sử dụng chức năng tự động chuẩn hóa có sẵn trong thiết bị để chuẩn hóa detector khối phổ ở chế độ EI
2.2.2.2 Phương pháp chuẩn hóa detector khối phổ với nguồn ion hóa hóa học, ion âm
Tối ưu hóa detector khối phổ với NCI cần thực hiện 3 bước:
- Bước 1: Tối ưu hóa tự động detector khối phổ với nguồn ion hóa va chạm điện tử
EI đã đƣợc đề cập ở phần 2.2.2.1
Thay nguồn ion va chạm điện tử EI bằng nguồn ion hóa hóa học CI sử dụng khí metan làm tác nhân ion hóa trung gian giúp máy ổn định trong 8 giờ và chuẩn hóa ở chế độ ion hóa hóa học, ion dương (PCI) Quá trình này bao gồm tối ưu hóa lưu lượng khí metan và hiệu chỉnh detector khối phổ ở chế độ PCI để đảm bảo độ nhạy và chính xác của phân tích Nếu sử dụng khí ion hóa trung gian khác ngoài metan, cần phải tối ưu hệ thống với metan trước rồi mới điều chỉnh với khí mới, đảm bảo hiệu quả cao nhất cho phương pháp phân tích.
Trong bước 3, cần tối ưu hóa detector khối phổ sử dụng chế độ ion hóa hóa học với ion âm để phù hợp với tính chất phức tạp của công nghệ NCI Cần thực hiện tối ưu thủ công bằng cách chuyển máy sang chế độ làm việc với ion âm, thay đổi điện thế cấp cho detector khối lượng EMV, và vận hành máy với mẫu chất phù hợp Trong nghiên cứu này, 2,3,7,8-TCDF được sử dụng làm đối tượng chuẩn hóa, sau đó thu giá trị tín hiệu/nhiễu để xác định và lựa chọn giá trị EMV tại đó tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (S/N) đạt mức cao nhất.
2.2.3 Tối ƣu hóa các điều kiện phân tích với GC-MS/NCI 2.2.3.1 Xác định tác nhân ion hóa trung gian tối ƣu
Quá trình nghiên cứu, khảo sát đƣợc thực hiện trên cơ sở thử nghiệm 3 loại
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22 mô tả nguồn ion được đặt ở chế độ mặc định với NCI là 150°C, giúp tối ưu hóa hiệu suất phát ion và độ nhạy của hệ thống phân tích Nhiệt độ thanh tứ cực được duy trì ở giá trị cố định 100°C, đảm bảo ổn định dòng điện và khả năng phân tách ion chính xác Áp suất buồng ion phụ thuộc vào lưu lượng khí ion hóa trung gian, được lựa chọn dựa trên quá trình tối ưu hóa detector khối phổ với chế độ PCI, nhằm nâng cao độ nhạy và độ chính xác của phân tích.
Nghiên cứu tập trung vào lựa chọn khí làm tác nhân ion hóa trung gian tối ưu cho phân tích các chất dioxin/furan, bằng cách thử nghiệm lần lượt ba loại khí khác nhau Quá trình phân tích gồm xây dựng dãy chuẩn cho từng loại khí và so sánh diện tích của các đỉnh phân tích để xác định khí đem lại độ nhạy cao nhất Trước khi thực hiện phân tích dãy chuẩn, cần tiến hành chuẩn hóa detector khối phổ với mỗi loại khí để đảm bảo thiết bị hoạt động trong trạng thái tốt nhất phù hợp với khí sử dụng.
2.2.3.2 Xác định lưu lượng khí tác nhân ion hóa tối ưu Áp suất trong buồng ion gây ảnh hưởng rất lớn đến quá trình ion hóa hóa học mẫu chất phân tích Nhưng áp suất này lại phụ thuộc rất lớn vào lưu lượng khí làm tác nhân ion hóa trung gian Do đó, tiến hành thay đổi lưu lượng khí này để khảo sát, lựa chọn lưu lượng khí tối ưu để tại đó detector khối phổ đạt độ nhạy cao nhất đối với các chất nghiên cứu
Để tiến hành chuẩn hóa detector khối phổ ở chế độ NCI, khí ion hóa trung gian tối ưu đã được lựa chọn dựa trên kết quả nghiên cứu trước đó Quá trình phân tích bắt đầu với nhiệt độ nguồn ion đặt cố định ở mức 150°C, sau đó thực hiện phân tích ba dãy chuẩn liên tiếp dưới các lưu lượng khí tác nhân ion hóa trung gian từ 10 đến 70% Các phép phân tích này được lặp lại ba lần trên cùng một điều kiện để đảm bảo độ chính xác và lặp lại của kết quả Diện tích pic trung bình của từng chất trong các dãy chuẩn ở mỗi điều kiện được thu thập, so sánh nhằm xác định giá trị lưu lượng khí tối ưu, tại đó diện tích pic của đa số chất đạt cực đại, đảm bảo quá trình chuẩn hóa đạt hiệu quả cao nhất.
2.2.3.3 Xác định nhiệt độ tối ƣu của nguồn ion
Trong quá trình nghiên cứu, khảo sát lưu lượng khí làm tác nhân ion hóa trung gian đóng vai trò quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất detector khối phổ Đặc biệt, chế độ NCI với khí tác nhân ion hóa đã được tinh chỉnh dựa trên kết quả nghiên cứu trước để xác định giá trị lưu lượng tối ưu Ngoài ra, nhiệt độ buồng ion cũng được khảo sát trong phạm vi từ 120°C đến 220°C nhằm cải thiện độ nhạy và độ chính xác của detector.
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22
Việc so sánh giá trị diện tích pic của từng chất tại các nhiệt độ trong buồng ion giúp xác định nhiệt độ tối ưu cho quá trình phân tích Lựa chọn nhiệt độ phù hợp dựa trên diện tích pic lớn nhất đảm bảo độ nhạy của detector cao nhất, từ đó nâng cao độ chính xác và hiệu quả của phương pháp phân tích.
2.2.4 Đánh giá hiệu suất thu hồi của quá trình xử lý mẫu 2.2.4.1 Tóm tắt quy trình xử lý mẫu phân tích các chất dioxin/furan
Phương pháp phân tích EPA 8280b hướng dẫn quy trình phân tích hàm lượng các chất dioxin/furan trong mẫu đất, nước và trầm tích bằng máy sắc ký khí khối phổ phân giải thấp sử dụng nguồn ion hóa va chạm điện tử Quy trình xử lý mẫu gồm các bước chính như chuẩn bị mẫu, extraxion, làm sạch, phân tích bằng hệ thống GC-MS, nhằm đảm bảo độ chính xác và độ nhạy cao trong phát hiện các hợp chất dioxin/furan Phương pháp này phù hợp để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường và giúp cung cấp dữ liệu chính xác cho các nghiên cứu về an toàn sinh học.
- Cân 30g mẫu, thêm nội chuẩn
- Chiết soxhlet với 250ml toluen trong 24 giờ với tốc độ hồi lưu của dung môi là 6-8 lần/giờ
- Cô cạn dịch chiết để chuyển sang dung môi n-hexan
- Rửa dịch chiết bằng axit và bazơ sau đó chiết tách loại bỏ axit, bazơ
- Cho qua cột silicagel đa lớp để loại bỏ các chất gây ảnh hưởng, thu dung dịch rửa giải cần thiết
- Tiếp tục cho qua cột than 2 lớp, sử dụng dung môi toluen để rửa giải các chất dioxin/furan ra khỏi cột than 2 lớp
- Dung dịch rửa giải đƣợc bổ sung thêm 100l n-Nonan và cô đặc còn 100l, và phân tích trên máy
2.2.4.2 Khảo sát thời gian chiết cần thiết của quá trình chiết soxhlet
Chúng tôi đã tiến hành chiết hai mẫu đất (mỗi mẫu 30g) với các nồng độ khác nhau, trong đó một mẫu có nồng độ cao khoảng 2.000.000 ppt và một mẫu có nồng độ thấp khoảng 1000 ppt Các mẫu được chiết bằng máy Soxhlet sử dụng dung môi toluen (250ml/mẫu) trong vòng 24 giờ, thực hiện hồi lưu từ 6 đến 8 lần mỗi giờ để thu dịch chiết Sau đó, tiến hành chiết tiếp hai mẫu đất này thêm 24 giờ nữa bằng dung môi toluen khác, tổng cộng là 48 giờ Sau quá trình chiết, dịch chiết được thu lại, cô đặc còn 1ml, rồi được phân tích trên máy với chế độ quét SIM để xác định thành phần chính xác của các hợp chất.
Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Nguyễn Thị Phương – K22
Hàm lượng chuẩn của 2,3,7,8-TCDD với nồng độ 100pg/μl được xử lý qua cột đa lớp để phân tích chính xác Quá trình thu hồi dung dịch qua cột giúp tách biệt phần mẫu còn lại, sau đó tiến hành rửa giải để thu lấy phần nhỏ còn giữ lại trong cột Phân tích mẫu trước và sau khi đi qua cột giúp so sánh và đánh giá hiệu quả của quá trình tuần hoàn, đảm bảo độ chính xác của kết quả phân tích Công nghệ phân tích hiện đại hỗ trợ xác định chính xác hàm lượng 2,3,7,8-TCDD trong mẫu Những bước này đóng vai trò quan trọng trong kiểm nghiệm môi trường và phân tích độc chất, giúp cung cấp dữ liệu chính xác về nồng độ 2,3,7,8-TCDD.
2.2.4.4 Đánh giá hiệu suất thu hồi quá trình làm sạch bằng cột than
Cho một lƣợng chất chuẩn có nồng độ 100pg/μl 2,3,7,8-TCDD qua cột than
Quá trình thực hiện gồm hai lớp, sau đó tiến hành rửa giải để thu hồi các hợp chất 2,3,7,8-TCDD Tiếp theo, mẫu được phân tích bằng máy phân tích chuyên dụng để xác định hàm lượng các hợp chất này Kết quả phân tích trước và sau khi mẫu đi qua cột chromatographic được so sánh để đánh giá hiệu quả của quá trình rửa giải và loại bỏ các tạp chất, đảm bảo độ chính xác của phân tích.